Stockage à chaleur latente liquide/solide

Présentation au sujet: "Stockage à chaleur latente liquide/solide"— Transcription de la présentation:

1 Stockage à chaleur latente liquide/solide
Master Energie Solaire II - Pr Xavier PY Stockage à chaleur latente liquide/solide

2 Chaleur latente liquide/solide
sensible T (°C) chaleur latente L domaine liquide/solide S t (s) W = 2 W = 2 Variance W = 1 Règle des phases : w = C – r + 2 – j C nombre de constituants, r nombre de réaction, j nombre de phase

3 Chaleur latente liquide/solide
W/g solidification T surfusion Cp solide Cp liquide t (s) Tfusion Tsolidification T (°C) t fusion Fin fusion Effet thermique retardé par la conduction

4 Comparaison chaleurs sensible/latente
Admettant un DT de 15 K en chaleur sensible En masse relative En volume relatif Béton (15) (Cp 15K) Béton (11) PCM inorganiques (1) PCM organiques (2.5) Eau (6) Eau (4) organiques (1.25) Pour une même quantité de chaleur stockée

5 Stockage à chaleur latente liquide/solide
Avantages principaux Forte capacité de stockage Température auto-régulée Système modulaire Grande variété de T de travail

6 Familles de matériaux de stockage
Nota bene : on note PCM pour « Phase Change Material » mais on trouve aussi MCP plus ambiguë de par « m Cp » !!! Solutions aqueuses de sels et eau basses T, pas cher surfusion, corrosion, (2) PCM organiques (chimie du carbone) + chers, inflammables, surfusion (polyols) alcanes, paraffines, polyols, polymères,… stables, inertes, faciles (3) PCM inorganiques (sans carbone) fortes capacités, moyennes à hautes T, sels : chlorures, sulfates, nitrates,… nombreux, prix, disponibilité et mélanges binaires, ternaires,… corrosion, toxicité, (4) Métaux lourds, chers, capacité conductivité, hautes T structure moléculaire du pentaerythritol

7 PCM type alcanes et paraffines

8

9 PCM pour les applications habitat

10 PCM pour les applications habitat

11 Matériaux L/S – moyennes à hautes T

12 Matériaux L/S – hautes températures

13 Conductivités thermiques

14 Matériaux L/S – basses aux hautes T
L MJ/m3 NaCl 1063 MgCl2 969 Na2CO3 701 KNO3 568 537 polyols NaNO3 334.5 393 334 KOH eau 306 241 paraffines 0.04 -200 60 120 200 333 800 1200 T (°C)

15 Variabilité des prix

16 LIMITATIONS des PCM Le phénomène de surfusion La conductivité thermique La corrosion La stabilité thermique et chimique La toxicité L’inflammabilité Le prix La disponibilité

17 Phénomène de surfusion
Retard à la formation du premier cristal Surfusion 80 °C thermogramme de changement d’état du DUCITOL Au calorimètre C80 (PROMES)

18 Conséquences sur le stockage
Premier cristal : loi probabiliste … ! Sur une même grille

19 Surfusion : effet du volume
PCM V = 0,3 L V ~ mm3 Eau 8 °C 20 °C 36 °C Paraffines - 1 °C 15 °C Organiques > 100°C métaux 1 – 2 °C > 200 °C

20

21 Inhibition de la surfusion
(1) Par agent nucléant - approche empirique - isomorphisme (2) Par trempe thermique (3) Par vibrations Exemple sur l’eau : 8°C sans agent nucléant 2-3°C avec agent nucléant adéquat températures de fusion et solidification du Dulcitol sans et avec CaSO4 (5%)

22 Limitation en conductivité thermique
Très faible conductivité thermique : 0,2 – 2 W m-1 K-1 Conséquences: puissance de charge faible puissance de déstockage faible puissances décroissantes et asymétriques Rex liquide Rp RPCM solide

23 Déstockage : principales limitations
Très faible conductivité thermique Conséquences: puissance de charge faible puissance de déstockage faible puissances décroissantes et asymétriques Rex r r+dr rin rext liquide solide Rp RPCM

24 Eléments de calcul de dimensionnement
Géométrie cylindrique (en coupe, longueur L) Rex r r+dr rin rext liquide solide Rp RPCM Text Tf eparoie Bilan thermique Pth= (Tf – Text) / Rtotale Rtotale= Rext + Rparoie + RPCM Rext= 1/(hext2 p rext L) Rparoie= eparoie/lparoie RPCM= ln(rint/r)/(2 p lPCM L) Pth= rPCM DHlatente 2 p r L dr/dt (Tf – Text)dt rPCM DHlatente 2 p r L dr = 1/(hext2 p rext L) + eparoie/lparoie + ln(rint/r)/(2 p lPCM L)

25 Eléments de calcul de dimensionnement
Bilan thermique sur un nodule : Bilan thermique sur une couche de n nodules :

26 Gestion de la limitation en conductivité
Créer de l’interface Nodules Echangeurs (2) Améliorer la conductivité effective Ailettes Mousses métalliques Composites

27 (2) Améliorer la conductivité effective
T > Tf Py X, Olives R and Mauran S. Paraffin-porous graphite matrix composite as a high and constant power thermal storage material. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, 44,

28 Taux de charge

29 Conductivités thermiques
insulation reference sample lo = 0.24 W m-1 K-1

30 Résistance thermique due au PCM
DT= 10 K, hext= 200 W×m-2×K-1

31 Puissance linéique DT= 10 K, hext= 200 W×m-2×K-1

32 Optimisation de la quantité de graphite

33 Extension à plus hautes T: 220 °C
Programme européen DISTOR Salts Tm (°C) Compatibility ZnCl2 287 + KCl 778 CaCl2 782 NaCl 800 NaNO3 307 KNO3 337 NaOH 317 - KOH 360 Salts Tm (°C) Compatibility CaCl2 / 2H2O 175 + NaCl / ZnCl2 228 KCl / ZnCl2 262 NaNO3 / KNO3 KOH / NaOH 187 -

34 Transfert à l’échelle industrielle
Société SGL production de GNE/paraffine et G/sels

35 Autres techniques Déploiement d’ailettes métalliques
Cher, corrosion, lourd

36 Déploiement de garnissages métalliques

37 Déploiement de fibres de carbone

38 Création d’interface l’encapsulation macroscopique

39 Création d’interface L’encapsulation micronique : de 10 à 50 mm
Parfum encapsulé par la melamine Migrin oil = 53%wt. Microcapsules sur fibre coton avant et après 15 cycles de lavage/séchage. Source : Hong K., Park S., Mat Chem and Phys.(58) , 1999.

40 Années 1980 : micoencapsulation développée
Historique de la microencapsulation Années 1980 : micoencapsulation développée par la NASA pour les missions dans l’espace. mais techno finalement pas retenue… licence concédée à Outlass pour thermorégulation textile.

41 Mode d’élaboration (BASF)

42 Micronodules dans un tissu
Source : Outlast

43 Micronodules dans des fibres textiles
Source : Outlast

44 Domaines d’application
Textiles : cosmétiques, adsorbants (militaire, chasse), thermorégulation, antimicrobiale antimicrobien, photochromic, thermochromatic, ignifugation, contrefaçon, insecticide (mites, moustiques) et acaricide, Alimentaire : protection et gestion des arômes, liaison chaude Médical : pansements, aromathérapie, médicaments retard (cancer) Agricole : engrais, Procédés : transfert thermique en lit fluidisé fluides caloporteurs type slurry Autre : Encre électronique « eInk » (MIT Boston) protection électronique, dépollution des sols,

45 Thermoprotection des plongeurs
Nuckols M.L. Ocean Eng. (26) , 1999.

46 Outlast Technologies Inc. (Colorado USA)
Fournisseurs Outlast Technologies Inc. (Colorado USA) Frisby Technologies(North Carolina USA) BASF (Ludwigshafen, Germany) Prix : échantillon 25 $/lb

47 CRISTOPIA Le stockage thermique L/S industriellement
leader mondial en stockage de froid à chaleur latente L/S de - 33°C à + 27 °C de 2 à 500 m3

48 C’est le volume qui compte non sa position
Configurations d’implantation La cuve de stockage Cuve Verticale Cuve Horizontale De 2 à 500 m3 C’est le volume qui compte non sa position Mais toujours alimentation verticale Cuve enterrée

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50 Besoin frigorifique journalier :
Fonctionnement : demande en froid Process Complet : Besoin frigorifique journalier :

51 Stockage Nocturne Fonctionnement : déphasage complet
Découplage complet production/consommation, Utilisateur sur le stock, Utilisation des tarifs nuit, Moins de bruit le jour, Moins de surdimensionnement machine, Réduction investissement, Réduction coûts exploitation, Réduction coûts maintenance.

52 Production Directe Bypass du stock Fonctionnement : bypass du stock
Bien pratique en cas de panne, En cas de maintenance, de sous-capacité, …

53 Déstockage seul Pas de nuisance Maintenance groupe Tarif E nuit

54 Production Directe + Déstockage
Combinaison mixte Production Directe + Déstockage Permet de sous-dimensionner la machine et de la faire tourner en régime nominal

55 Production Directe + Stockage
Combinaison mixte Production Directe + Stockage

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